14. December 2012 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 METSWN Organisation, 2 nd...
-
Upload
detlef-lechler -
Category
Documents
-
view
110 -
download
3
Transcript of 14. December 2012 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 METSWN Organisation, 2 nd...
14. December 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
METSWN Organisation, 2nd half
1
8 30. November Radiation introduction (UL)
9 7. December EM Spectrum; Reflection and refraction (SC)
10 14. December Thermal emission and Transmission (SC)
11 11. January Gas absorption (SC)
12 18. January Heating rates (Exercises, KE)
13 25. January Radiative transfer (Exercises, UL)
14 1. February Scattering (SC)
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 2
Content1. Introduction
2. Properties of electromagnetic radiation2.1 Electromagnetic waves2.2 Frequency2.3 Polarization2.4 Energy2.5 Mathematical description2.6 Quantum properties
of radiation2.7 Radiation measures
3. Electromagnetic Spectrum4. Reflection and Refraction5. Radiative properties of natural surfaces6. Thermal emission7. Atmospheric transmission8. Atmospheric emission9. Absorption atmospheric gases10. Broadband fluxes and heating rates (cloud free)11. Radiative transfer with scattering12. Scattering and absorption by particels13. Radiative transfer with multiple scattering
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 3
Bereich Wellenlängen Solarer Output Bedeutung
Fern UV 0.1 < λ < 0.2 μm 0.01 % O2 Dissoziationoberhalb 50 km
UV-C 0.2 < λ < 0.28 μm 0.5 % O2 + O3 Diss.30 – 60 km
UV-B 0.28 < λ < 0.32 μm 1.3 % Meist absorbiertSonnenbrand
UV-A 0.32 < λ < 0.4 μm 6.2 % Zur Oberfläche
Sichtbar 0.4 < λ < 0.7 μm 39 % Transparent
Nahes IR 0.7 < λ < 4 μm 52 % Teilweise absorbiert (H2O)
Therm. IR 4 < λ < 50 μm 0.9 % Viele Absorber
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 4
4. Reflektion und Refraktion
Homogenes Medium
Glatt und gleichmässig auf Skala der Wellenlänge, - z.B. Wasseroberfläche im Sichtbaren- Mich ist „milchig“ da Schwebeteilchen in Größenordnung von λ
Beispiele für Inhomogenes Medium- Wasser ist „klumpig“ für Röntgen und Gamma-Strahlung- turbulente Wirbel für Zentimeter-Wellen
Wolken bestehen aus Tröpfen mit ca. 10 μm Durchmesser- homogen für Mikrowellen- inhomogen für sichtbar
Auf makrosopischer Skala kannein Medium durch den komplexenBrechungsindex beschrieben werden:
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 5
4. Reflektion und Refraktion
N ist Materialeigenschaft bestimmt von derPermittivität ε und der Permeabilität μ
N hängt ab von Medium, Wellenlänge sowie schwächer von Temperatur, Druck,..
nr bestimmt effektive Phasenge-schwindigkeit der Welle
Unstetigkeiten führen zu Reflektion und Refraktion
ni bestimmt Absorption (ni=0 keine Absorption)
nr und ni hängen über die Kramer-König Beziehung zusammen
Amplitude Phase
Wikipedia
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Komplexer Brechungsindex
nr
ni
für alle Mediennr >1
Luft: nr = 1.0003
nichtabsorbierendesMedium:
Vis 1.33
Absorptionskoeffizient:
6
Abb. 4.1 Petty (2006)
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 7
Reflektion
Wasserfläche reflektiert sichtbares Licht - bei senkrechtem Einfall nur ca. 2% (Mittag)- bei sehr schrägem Einfall (Θ->90°) sehr stark (Sonnenuntergang)
Horizontale Polarisation wird stärkerreflektiert - polarisierende Sonnenbrille!
Spezialfall senkrechter Einfall Θ=0
Wie berechnet sich die Reflektifität?
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Absorption und Reflektion
8
An Erdoberfläche wird Teil absorbiert (a) und Teil reflektiert (r)
Viele Oberflächen sind azimutal isotrop, d.h. z.B. Sonnenausrichtung (Ost, West..) und Φ Abhängigkeit verschwindet
Bei sehr rauhen Oberflächen, z.B. Wälder, kann auch Abhängigkeit vom Elevationswinkel vernachlässigt werden
Chlorophyll-sprung
H2O Vib-ration
Normalized Difference Vegetation Index NDVI
zuerst aus ReflektionenR1 (0.55 - 0.75 μm) R2 (0.75 - 1.6 μm)
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
6. Thermische Emission
9
Jedes Objekt mit einer TemperaturT>0 K emittiert Strahlung. Die maximalmögliche emittierte Strahldichte bei einerWellenlänge λ ist eine Funktion von T.
Bei gegebener Temperatur gibt es eineWellenlänge (invers zu T), bei der diemaximale Strahldichte emittiert wird.
Über alle Wellenlängen integriert ergibt sich eine maximal mögliche, breitbandige Emission proportional zur 4.ten Potenz der Temperatur
Bei gegebener Wellenlänge ist ein guter Absorber auch ein guter Emitter. Ein perfekter Reflektor emittiert keine Strahlung. Ein perfekter Absorber emittiert entsprechend der Planck-Funktion.
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Schwarzkörper
10
Ein Objekt, das alle auf sich einfallendeStrahlung perfekt absorbiert wirdSchwarzköper genannt.
Sein Absorptionsvermögen ist a = 1.Das Reflektionsvermögen ist 0.
Eine einfache Annäherung eines Schwarzkörpers ist ein Hohlraum (nicht-transparente Wände). Es stellt sich ein Strahlungsgleichgewicht entsprechend der Temperatur des Hohlraums ein.
Die durch eine kleine Öffnung austretende Strahlung kann als Schwarzkörperstrahlung interpretiert werden. Ein einfallendes Photon wird an den Wänden entweder absorbiert oder reflektiert. Die Zahl der Photonen, die entkommen ist vernachlässigbar.
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Planck-Gesetz
11
Wellenlänge, λ
Bλ(
T)
, 10
7 W
/(m
2 sr
μm
)
Ein Schwarzkörper emittiert Strahlung in einer eindeutigen Funktion der Temperatur T und der Wellenlänge λ, (Planck, 1901)
B spektrale Strahldichte [W m-2 sr-1 m-1]h=6.626 10⋅ -34 J s Planck'sche KonstantekB=1.38 10⋅ -23 J/K Boltzmannkonstantec=2.99792 10⋅ 8 m/s Lichtgeschwindigkeit
Strahldichte kann eindeutig in “Brightness Temperature”
umgerechnet werden
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Planck-Gesetz als f()
12
Wellenlänge λ, μm
Bλ,
W/(
m2
sr μ
m
Im Mikrowellenbereich wird das Planck-Gesetz oft mit Frequenzen anstelle von Wellenlängen ausgedrückt:
dB(λ) dλ = dB(ν) dν
dλ = -λ2 /c dν
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Spektrale Einheiten
13
Strahlung ist wellenlängenabhängig daher lassen sich alle Strahlungsmaße auch spektral ausdrücken.
Da wir die Spektralität durch verschiedene Maße (Wellenlänge, Frequenz, Wellenzahl) beschreiben können, gibt es auch verschiedene spektrale Strahlungsmaße, z.B. für die Strahlungsflussdichte F.
Damit gilt für Umrechnungen zwischen spektralen Einheiten:
Analoges gilt für spektrale Strahldichten Iλ, Iν, und Ik
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Spektrale Darstellung
Linerare Achsen
λ logarithmisch
Flächen unter den Kurven sind in beiden Fällen proportional zur Strahlungsenergie.
Strahlungsgleichgewicht
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2010/11 15
Wien'sches Verschiebungs-gesetz
Wellenlänge, λ
Bλ(
T)
, 10
7 W
/(m
2 sr
μm
)
Das Maximum der Planck‘schen Strahlung verschiebt sich mit zunehmender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen
Beispiel: T=6000 Kλmax=0,5 μm (grün)λ‘max=0,8 μm (nahes IR)
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Wellenlänge λ, μm
Bλ,
W/(
m2
sr μ
m
Durch Einsetzen der Gleichung für λmax in die Planck-Funktion wird der Exponent unter dem Bruchstrich konstant und man erhält:
Die Planck-Funktion im Maximum Bλmax nimmt um genau 5 Größenord-nungen ab, wenn die Wellenlänge λ um eine Größenordnung zunimmt.
Wien'sches Verschiebungs-
gesetz
16
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Stefan-Boltzmann-Gesetz
Das Stefan-Boltzmann-Gesetz gibt die Temperaturabhängigkeit der spektral und über den Halbraum integrierten Strahlungsflussdichte der Planck-Strahlung FBB an.
FBB [Wm-2] lässt sich wie folgt aus der Planck-Strahlung ableiten:
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Rayleigh- Jeans Näherung
18
h c/λ << k TNäherung im Fall von bzw.gilt bei langen Wellenlängen und nicht zu tiefen Temperaturen gilt.
= 30 GHz, T=300 K 210-21 << 410-21
Satelliten messen Strahldichte I [W m-2 Hz-1 sr-1]
Mit I = ε B und der Annahme einer Emissivität ε=1 ergibt sich mit der Rayleigh-Jeans Näherung die äquivalente Schwarzkörpertemperatur TB (R-J)
auch Helligkeitstemperatur genannt!
h << k T
Physikalisch sinnvoller: Planck-äquivalente TB
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Strahlungsgesetze: Zusammenfassung
Planck'sches Strahlungsgesetz- Schwarzkörperstrahlung
Kirchhoffsches Gesetz- grauer Körper
Wien'sches Verschiebungsgesetz- Wellenlänge mit max. Schwarz- körperemission
Stefan-Boltzmann Gesetz- Schwarzkörperstrahlung über alle Wellenlängen und den Halbraum
19
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Thermische Emission - Anwendung
20 METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2010/11
1. Fernerkundung
Oberflächensignal ist propertional zu dessen Temperatur und Emissivität ε
Im Mikrowellenbereich ist ε zwischen 0.4 und 0.9.
0.4 - 0.6: Wasser, abhängig vom Blickwinkel, Rauhigkeit, Wind, Schaum, Salz
0.6 - 0.9: Erdoberfläche, abhängig von Bodenfeuchtegehalt, Vegetation, Rauhig.
bis 0.98: Eis, abhängig vom Alter
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Emission der Erdoberfläche im IR
21
Wendisch, ULeipzig
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Helligkeitstemperaturen
22
Infrarotkanal von METEOSAT- radiometrische Information:
Oberflächentemperaturen- räumliche Strukturinformation
Wolkenarten, Küsten
Meteorologische Satellitensensoren im Infraroten und Mikrowellenbereich messen Helligkeitstemperaturen (brightness temperatures).
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 23
Thermische Emission - Anwendung
solar
thermal
Solar: vom Weltraum
Thermisch: gen Weltraum waveno
Referenz:Schwarz-
körper
2. Strahlungsbilanz
Beobachtung am Oberrand der Atmosphäre
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Das
terrestrische
Spektrum
Aus Messungen in der Ozonbande im Zentrum des
IR-Fensters kann (bei vorhandenem Ozon) die
Temperatur der Obergrenze der Ozonschicht abgeleitet
werden.
24
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Strahlungsbilanz
25
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Thermische Emission – Anwendungen
26
3. Strahlungsgleichgewicht
Warum hat die Rückseite des Mondes nicht eine Temperatur von 0 K?
lokale Temperatur durch Strahlungsgleichgewicht!
Beispiel Mond: keine Atmosphäre o. Ozean und
so kein Mechanismus zu lateralen Wärmeleitung
nur dünne Oberflächenschicht speichert Wärme
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Thermische Emission – Anwendungen
27
Bsp. Strahlungsgleichgewicht Mond
Energiefluss an der Oberfläche
A=0.1ε = 1
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Thermische Emission – Anwendungen
28
4. Strahlungskühlung - nachtsTa
Ts
aLW = 0.8Ta = 260 KTs = 275 K
aLW = 0.8Ta = 260 KTs = 275 K
aufwärts gerichteter Netto Fluss
natürliche Oberflächen haben ein Emissionsvermögen von ε≈1
Absorptionsvermögen der Atmosphäre im Langwelligen variiert von ca. 0.7 im arktischen Winter bis 0.95 in Tropen (Wasserdampf!)
variiert zwischen 120 und 380 Wm-2
Z= 5 cm (effektive Abkühlungstiefe)C= 2106 Jm-3K-1 (typ. Bodenwärmekapazität)Z= 5 cm (effektive Abkühlungstiefe)C= 2106 Jm-3K-1 (typ. Bodenwärmekapazität)
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Thermische Emission – Anwendungen
29
5. Strahlungskühlung - Wolkenobergrenze
Wolken reflektieren stark im SW
Wolken sind opaque (=undurchlässig) im LW (ε≈1)
weite Bereiche der Ozeane sind mit Stratocumulusbedeckt (Pazifik vor Peru und Kalifornien; Kanaren, Azoren)
Abkühlung der Wolke
zbase = 300 mztop = 1000 mTs = 288 KTb = 285 KTt = 281 KTa = 280 K
zbase = 300 mztop = 1000 mTs = 288 KTb = 285 KTt = 281 KTa = 280 K
z
zbase
ztop
enorme Bedeutung im Klimasystem
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Stratocumulus über Ozean
30
Strahlungsabkühlung bewirkt Änderung des Temperaturprofils Destabilisierung!In Realität sehr konstante Verhältnisse durch komplexes Gleichgewicht der Flüsse!
Bretherton et al., 2004
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Outgoing Longwave radiation (OLR)
Infrarotstrahlungsfluss [Wm-2] am Oberrand der Atmosphäre
Monatsmittel Februar 1985, ERBE auf NOAA-9
Infrarotausstrahlung
31
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Strahlungsbilanz
32
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Änderung der Strahldichte beim Durchgang durch die Atmosphäre
7. Atmosphärische Transmission
33
zTop
dsΘ
z
Abschwächung durch AbsorptionStrahlungsenergie wird in Wärme oder chemische Energie umgewandelt
Abschwächung durch StreuungUmlenkung in andere Richtung durch Wechselwirkung an atmosphärischen Partikeln
Lambert-Beersches Gesetz
I Strahldichte [W m-2 sr-1]βe Extinktionskoeffizient [m-1]βa Absorptionskoeffizient [m-1]βs Streukoeffizient [m-1]ωo Einfachstreualbedo
Gesamt-Extinktion:
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Streuung
34
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Wasser-, Milch und Tintenschälchen auf Overhead-Projektor
Streuung und Absorption
35
schwarz, da das Licht aus derRichtung gestreut wird; bei
seitlicher Betrachtung weiß! schwarz, da das Licht
absorbiert wird
milkink
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Extinktion von Strahlung
36
βe
s
Nach einem Durchgang der Strahlung von s1 nach s2 ergibt sich eine Strahldichte:
I Strahldichte [W m-2 sr-1]βe Extinktionskoeffizient [m-1]τ optische Dicket Transmission
Die relative Abschwächung der Strahldichte I, dI/I, entlang eines Weges s ist proportional zur Weglänge ds und zu dem lokalen Extinktionskoeffizienten βe .
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Extinktion und Transmission
37
Medium hat einen konstanten Extinktionskoeffizienten
Nach dem Durchgang durch Medium mit optischer Dicke
τ = 1 hat sich die Strahlung auf ca. 37 % des Ursprungswertes reduziert (e-1)entspricht einer Dämpfung von ca. 4.3 dB (10*log100.37)
Strahlung propagiert von s1 nach sN. Der Weg kann in N Schichten zerlegt werden, wobei die gesamtoptische Dicke die Summe der Einzelschichten ist:
Transmission
0.50 = 50%
0.98 = 98%
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Hohe Transmission (geringe optische Dicke τ << 1)
Nicht streuendes Medium ωo= 0nicht transmittierte Strahlung muss absorbiert werden
Der Extinktionskoeffizient βe bezieht sich auf das Volumen und ergibt sich als Produkt der Dichte ρ des Mediums und seines Massen-Extinktionskoeffizienten ke.
Der Massen-Extinktionskoeffizient ke lässt sich auffassen als Extinktionsquerschnitt pro Einheitsmasse. Dieser ist für die meisten Medien bei gegebenem Druck und Temperatur konstant.
Wenn der Extinktionskoeffizient βe als Funktion der Teilchenzahldichte (Konzentration) N angesehen wird, ergibt sich der Proportionalitätsfaktor als Extinktionsquerschnitt σe
Extinktion und Transmission
βe Volumenextinktionskoeffizient [m-1]σe Extinktionsquerschnitt [m2]ke Massenextinktionskoeffizient [m2 kg-1]N Teilchenzahldichte [m-3]
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Verschiedene Maße zur Beschreibung der Extinktion
Die Nutzung eines Querschnitts ist besonders einsichtig für die Betrachtung von Wolkentröpfchen
Im Sichtbaren und Infraroten hat ein einzelnes Wolkentröpfchen einen ähnlichen Extinktionsquerschnitt wie sein geometrischer Querschnitt π r2
Definition der Extinktionseffizienz (im Sichtbaren ist Qe ≈ 2)
Gleiche Notation wie für dieExtinktion gilt separat für die Absorption a und die Streuung s
Extinktionsquerschnitt
39
βe Volumenextinktionskoeffizient [m-1]σe Extinktionsquerschnitt [m2]ke Massenextinktionskoeffizient [m2 kg-1]m Masse pro Einheitsteilchen [kg]N Teilchenzahldichte [m-3]Qe Extinktionseffizienzρ Dichte [kg m-3]
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Planparallele Approximation
40
0 ≤ μ ≤ 1 nicht abhängig davon, ob sich Strahlung nach oben oder unten ausbreitet
μ =1 (Sonne direkt im Zenit)
μ =0 (Sonne am Horizont)
Die Eigenschaften der Atmosphäre variieren nur in vertikaler Richtung zT, p, , σa, σs ,P,... = f(z)
Was heißt Nadir?Was heißt Zenit?
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Optische Dicke als Vertikalkoordinate
41
Optische Dicke zwischen zwei Schichten ist nie negativ!
Vom Oberrand der Atmosphäre ausgehend nimmt die atmosphärische Dicke mit abnehmender Höhe kontinuierlich zu!
Zu jedem Ort, der durch z gegeben ist, gibt es genau eine optische Dicke τ
zTop
dsΘ
z
0
τ
τa
Mit dieser Definition ergeben sich die folgenden Beziehungen:
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Atmosphärische Transmission
Transmissionsspektrum der Atmosphäre
Gesamt-Transmission der Atmosphäre ergibt sich als Produkt der Transmission der Einzelgase
Viele Spurengase haben großen Einfluss auf die Transmission
Anthropogen emittierte Spurengase verändern Transmission der Atmosphäre Klimarelevanz
Wasserdampf ist der wichtigste Absorber – er ist hochvariabel in Raum und Zeit!
42
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13 43
14. Dezember 2012METSWN, Susanne Crewell & Ulrich Löhnert, WS 2012/13
Atmosphärische Transmission
44
Transmissionsspektrum der Atmosphäre im „Zoom“